焊接应力与变形

• 1） 将焊件固定在刚性平台上。
薄板拼接时的刚性固定 30
焊接教学
焊接残余变形
2）将焊件组合成刚性更大或对称的结构。
T形梁的刚性固定和反变形
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焊接教学
焊接残余变形
• 3）利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束。
对接拼板时的刚性固定
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焊接教学
焊接残余变形
• 4）利用临时支撑增加结构的拘束。
防护罩焊接时的临时支撑
• 如果压应力小于金属材料的屈服点，则当 杆件温度从T1恢复到T0时，若允许杆件自 由收缩，则杆件将恢复到原来长度L0，杆 件中不存在应力。
• 如果杆件温度很高，产生的压应力大于材 料的屈服点，则杆件产生塑性变形”，在 杆件温度恢复到了。的自由收缩结束后， 将比原来缩短，产生了压缩塑性变形。
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焊接教学 焊接应力与变形的产生
➢ 焊件在焊后沿焊缝长度方间的收缩称为纵向缩短 。
➢ 焊件在焊后垂直于焊缝方向的收缩叫横向缩短。
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焊接教学
焊接残余变形
2．角变形
• 角变形产生的根本原因：由于焊缝的横向收缩沿 板厚分布不均匀所致。角变形的大小以变形角α 进行度量。
几种接头的角变形
T形接头的角变形
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焊接教学
焊接残余变形
3. 弯曲变形
• 3）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应 先焊焊缝少的一侧。
压力机压型上模的焊接顺序
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焊接残余变形
4）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称地施焊 。
圆筒体对接焊缝焊接顺序
36焊接教学焊接来自余变形• 5）长焊缝（1m以上）焊接时，可采用下图所示 的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变 形。
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焊接教学 焊接应力与变形的产生
三、焊接应力与变形产生的原因
• 根本原因——焊接过程的加热和冷却受到周围冷 金属的拘束，不能自由膨胀和收缩。
1.杆件的不均匀受热.
（1）长板条中心加热（类 似于堆焊）引起的应力与 变形。
钢板条中心加热和冷却时
的应力与变形
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焊接教学 焊接应力与变形的产生
（2）长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起 的应力与变形。
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4.波浪变形
焊接残余变形
• 波浪变形常发生于板厚小于6mm的薄板焊接过程 中，又称之为失稳变形。
焊缝角变形引起的波浪变形
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焊接教学
焊接残余变形
5.扭曲变形
• 产生扭曲变形的原因主要是焊缝角变形沿焊缝长 度方向分布不均匀。
• 一般发生在有数条平行的长焊缝的焊件上，如焊 接工形梁。扭曲变形的产生往往与焊接方向或顺 序不当有关。
• 假设焊件是由许多金属小板条组成，它们互相结合，互相制约。当
焊接时，焊件受到局部不均匀的加热和冷却，焊接接头各区域会出现 不同程度的热胀和冷缩。温度高、伸长大的板条要受到相邻的温度低 、伸长小的板条的压缩；相反，温度低、伸长小的板条要受到温度高 、伸长大的板条的拉抻。
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焊接教学 焊接应力与变形的产生
, 这对减少梁柱的挠
曲变形有良好的效果
。
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焊接教学
焊接残余变形
2.工艺措施
（1）反变形法 ( 如图)
•
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焊接教学
焊接残余变形
（2）留余量法
• 在下料时，将零件的实际长度或宽度尺 寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收 缩。
• 留余量法主要用于防止焊件的收缩变形。
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焊接教学
焊接残余变形
（3）刚性固定法
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焊接教学
焊接残余变形
• 本节主要内容：
• 一、焊接变形的种类 • 二、控制焊接变形的措施 • 三、矫正焊接变形的措施
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焊接教学
焊接残余变形
• 一、焊接变形的种类
• 焊接变形分为5种基本变形形式：收缩变形、 角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。
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焊接残余变形
1．收缩变形—焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收 缩变形。分为纵向缩短和横向缩短。
。
厚板焊接接头中的残余应力分布
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焊接残余应力
4.在拘束状态下焊接的残余应力
由于焊接时的焊缝收缩会受到拘束力的制约，产生 相应的内应力，将和自由状态下焊接相似的横向（纵向 ）应力叠加。
在拘束状态下焊接的残余应力
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焊接教学
焊接残余应力
5.在封闭焊缝中残余应力的分布：
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焊接教学
焊接残余应力
工字梁的扭曲变形
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焊接教学
焊接残余变形
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焊接教学
焊接残余变形
二、控制焊接变形的措施
1. 设计措施 • （1）合理地选择焊缝
的尺寸和形状（如图）
• 在保证结构承载力的 情况下,尽可能采用较小 的焊缝尺寸, 减少热输 入对材料性能的影响, 并降低成本。
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焊接教学
焊接残余变形
（2）合理选择焊缝长度和 数量
钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形
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焊接教学 焊接应力与变形的产生
(3)杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自 由变形的变形和应力。
T T
0
t1
t
t2
t
受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力
2.1||s
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焊接教学
焊接应力与变形的产生
(4)长板条非对称加热引起的变形和应力
2.焊缝金属的收缩。 3.金属组织的变化。 4.焊件的刚性和拘束。
三、焊接残余应力对焊接接头的影响
• 1.对静载强度的影响 只要材料有足够的延性，能够进行塑性变形，
内应力的存在不影响构件的承载能力，对强度 无影响。
如果材料处于脆性状态时，应力达到强度极限 时，构件将发生局部破坏，最后导致构件断裂 。
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焊接教学
焊接残余应力
• 2.残余应力对疲劳强度的影响
在疲劳节段专门进行讲解。
内应力 应力
热应力 装配应力 相变应力 残余应力
工作应力
3
焊接教学 焊接应力与变形的产生
• 2.变形—物体在外力的作用下，其内部原子的相 对位置发生变化，其宏观表现为形状和尺寸的变
化。
• 分类 按物体变形的性质分为：
弹性变形
塑性变形
按变形的拘束条件分为：
自由变形
非自由变形
4
焊接教学 焊接应力与变形的产生
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焊接教学
焊接残余变形
（5）合理地选择焊接方法和焊接工艺参数
非对称截面结构的焊接
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焊接教学
焊接残余变形
（6）热平衡法
采用热平衡法防止焊接变形
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焊接教学
焊接残余变形
• （7）散热法
散热法示意图
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焊接教学
焊接残余变形
三、矫正焊接变形的措施
1. 手工矫正法
2. 机械矫正法
• 用机械方法矫正变形的原理就 是将缩短的尺寸拉长，使之与 较长的部分相适应，从而恢复 到原来的尺寸，或达到技术条 件对几何尺寸的要求。
只要允许，多采用型材、 冲压件；焊缝多且密集处，可 以采用铸—焊联合结构，就可 以减少焊缝数量。此外，适当 增加壁板厚度，以减少肋板数 量，或者采用压型结构代替肋 板结构，都对防止薄板结构的 变形有利。
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焊接教学
焊接残余变形
（3）合理地安排焊缝 的位置
•
安排焊缝尽可能
对称与截面中性轴,
或使焊缝接近中性轴
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焊接教学 焊接应力与变形的产生
假如金属杆件在伸长过程中受到阻碍，不能自由地变形，这时的长度变化 量称为外观变形ΔL，，见图b。杆件内部因受压而产生的变形，称为内 部变形ΔL，内部变形在数值上等于自由变形和外观变形之差，即ΔL二ΔLT— ΔLe，此时在金属杆件内将产生压应力。
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焊接教学 焊接应力与变形的产生
• 3.残余应力对机械加工精度的影响
机械加工后，原内应力的平衡打破，工 件将产生变形。
机械加工引起内应力释放和变形
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焊接教学
焊接残余应力
• 4.残余应力对受压杆件的影响
• 机械矫正法会使金属材料因冷
作硬化而变脆，并产生附加应
力，因此一般适用于变形不大
的小型结构件。
机械矫正法矫正梁的弯曲变形
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焊接教学
焊接残余变形
3.火焰加热矫正法
• 火焰矫正的原理与机械矫正相反，它是通过局部加热并 随之快冷，使焊件伸长的部位缩短，达到矫正变形的目 的。
• 火焰加热的方式有点状加热、线状加热和三角形加热。
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焊接残余应力
• 本节主要内容： • 一、焊接残余应力的分类； • 二、焊接残余应力的分布； • 三、焊接残余应力对焊接接头的影响； • 四、减小焊接残余应力的措施； • 五、消除残余应力的措施； • 六、焊接残余应力的测定方法。
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焊接教学
焊接残余应力
• 概念——如果不均匀的温度场所造成的内 应力达到材料的屈服极限，使构件局部发 生塑性变形（加热杆件中将出现压缩塑性 变形），当温度恢复均匀后，产生的内应 力会残留在物体里。故称之为残余应力。
➢ 根据应力 形成原因
1.温度应力：由于 均焊 匀件 加不 热引起的应力 2.拘束应力：由于 变焊 形件 受热 到拘束引 力起的 3.组织应力：由于 属接 组头 织金 转变时体 受积 阻变
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焊接教学
焊接残余应力
二、焊接残余应力的分布
1. 纵向残余应力
的分布 x
对接接头
在焊缝横截面上的分布
x
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• 此法一般使用的是气焊炬，不需专门设备。操作简单方 便，机动灵活，可以在大型复杂结构上进行矫正。